날갯짓 비행체의 날갯짓 속도 분포 최적화

Abstract

본 논문에서는 날갯짓 초소형 비행체의 날갯짓 효율을 증가시키기 위한 날갯짓 속도 분포 최적화를 진행하였다. 곤충의 날갯짓 비행을 모방하는 메커니즘을 이용하였으며, 비원형 기어를 이용하여 다양한 날갯짓 속도 분포를 구현하였다. 비원형 기어 설계를 위해 MATLAB in-house 프로그램을 작성하였고 이를 통해 기어 형상 설계 및 제작을 진행하였으며, 검증 실험을 통해 제작된 비원형 기어의 움직임이 설계된 속도 분포를 따라 움직인다는 것을 입증하였다. 직접 제작한 실증 기체를 이용하여 실험적으로 날갯짓 속도 분포 최적화를 진행하였으며, 최적화 모델은 노이즈를 포함한 Kriging을 사용하여 실험 과정에서 발생하는 불확실성에 의한 오차를 반영하였다. 날갯짓 속도 분포를 구성하는 parameter로는 네 가지를 선정하였으며 각각 peak timing, transition timing 1, transition timing 2 및 sweep angle이다. Sine 형상의 속도 분포를 갖고 160의 날갯짓 각도를 갖는 reference 모델을 기준으로 하여 날갯짓 속도 분포 최적화를 진행하였으며, 최적화를 통해 도출된 속도 분포의 날갯짓 효율이 reference에 비해 약 11.3% 증가하였다. 최적화 결과 효율이 높은 속도 분포의 경우 날개의 leading-edge 및 시맥 등의 탄성력에 의해 이전 스트로크 끝에서의 각운동에너지가 일부 보존되어 다음 스트로크의 가속에 사용된다는 것을 확인하였으며, 최적 설계된 날갯짓 속도 분포의 경우 모든 parameter들이 탄성력에 의한 효과를 높이는 방향으로 변화하여 날갯짓 효율이 증가한 것으로 분석하였다.

A velocity profile for flapping flight is optimized to increase the power efficiency of flapping wing micro air vehicle. The experimental optimization of flapping velocity profile is carried out with a real sized flapper, and various velocity profiles are realized by non-circular gear. Kriging with noise is adopted as a meta model of the profile optimization to reflect the data noise by uncertainty. The optimization results confirm that the flapping efficiency is substantially improved through the elastic deformation that carries the angular kinetic energy from previous stroke.